频率计课程设计

1、 课 程 设 计（论文）题 目: 智能电子产品设计与制作学 院： 电气与电子信息工程学院 专业名称： 电子信息工程 学 号： 200740210122 学生姓名： 张莉 同组成员： 李亭、沈柔 指导教师： 章磊、桂静宜 课设时间： 2010年5月10日2010年5月28日 教师评语：等级一、课题名称智能电子产品设计与制作二、设计目的 为了进一步巩固学习的理论知识，增强学生对所学知识的实际应用能力和运用所学的知识解决实际问题的能力，开始为期两周的智能电子产品设计与制作课程设计。通过实训使学生在巩固所学知识的基础之上具有初步的单片机系统设计与应用能力。三、设计内容便携式仪表有着广泛的用途，如万用表

2、、转速表等。键盘是一组键的组合，它是各种仪表中最常用的输入设备。操作人员可通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机对话。而LCD液晶显示器(Liquid Crystal Display)具备低耗电量、价格低廉等特点，目前已经渐渐取代了传统的显示装置，在各种仪表上被广泛使用。本论文设计并制作这两个部分，在键盘输入的同时，能够在液晶模块上进行显示。依据系统分析及实现功能，硬件小系统方框图如图所示：键盘输入单片机液晶显示对比度控制 图1四、设计要求 1、用44的键盘作为输入设备。2、用LED或LCD进行显示。3、对系统的进行综合和调试，使其具有对键盘输入的键值在液晶上进行显示的功能。4、编写课程设计的

3、总结智能电子产品的设计与制作便携式液晶按键电路的设计引 言单片机简介单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电

4、路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。同时，单片机因为体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，被广泛应用于仪器仪表中。目前市场上的便携式仪表大多都是以单片机为核心

5、。 便携式仪表广泛用于工业数据采集系统，矿场信号采集，电路调试等多种场合。从使用者角度来说，希望便携式仪表在大数情况下都能方便携带，操作简单，无需复杂维护又能长时间可靠工作。为了满足以上要求，选择器件是至关重要。大多数的数字式便携式仪表都是基于单片机系统开发的，因为单片机可以实现仪表的智能化，便于操作，可提高数据的测量精度。而显示输出电路则应选用低功耗产品。液晶显示器LCD有尺寸小、功耗低、寿命长、不产生电磁辐射污染、成本低、可显示数字及多种字符的优点，目前已经逐渐取代了传统的显示装置，在各种仪器仪表、电子设备、移动通讯及家用电器中得到广泛运用。单片机加液晶显示器以及键盘，基本可以满足便携式智

6、能电子产品或仪表的设计与制作。1、 方案论证本次课程设计：便携式仪表液晶显示及按键电路的设计，其显示输出采用液晶显示器LCD，输入用4x4矩阵键盘，可有多种实现方法。方案一：基于MSP430单片机的便携式仪表液晶显示及按键电路MSP430系列单片机是一种功耗极低、集成度高、功能丰富、方便用C语言编程的16位单片机品种，该单片机在设计上打破常规采用了全新的概念，它具有丰富的片内外设，有极其广阔的应用范围，特别适合于片上设计系统，有丰富的不同型号的器件可供选择，给设计带来很大的灵活性。非常适合应用在各种嵌入式系统中。该电路的核心为MSP430单片机，用LCD作为作为显示输出，矩阵键盘作为输入，其电

7、路框图如下：电源模块按键电路MSP430单片机液晶模块图2 基于MSP430便携式仪表液晶显示及按键电路系统框图该系统的主要优点是：体积小、功耗极低、测量精度高且便于携带。但是MSP430单片机的超低功耗决定其价格高，对于本次对功耗没有极低要求的设计来说成本过高。而且，MSP430单片机为贴片式芯片，对于焊接的工具及工艺有很高的要求，不利于硬件电路的制作。方案二：基于AT89C51单片机的便携式仪表液晶显示及按键电路51系列单片机为现在教学用的主流单片机，为广大老师所熟悉和使用。MSC-51为8位单片机，可以通过编程实现按键输入，液晶显示输出的功能。其硬件电路的系统框图如下：电源模块按键电路8

8、9C51单片机液晶模块图3 基于AT89C51单片机的便携式液晶按键电路系统框图与MSP430单片机相比AT89C51的功耗相对要高，但它被学生所熟悉，便于设计制作和制作。而且51单片机比MSP430要便宜很多，有利于降低制作成本，提高作品的性价比。因此，本次课程设计选用方案二作为设计方案。2、 液晶按键硬件电路的设计工作原理及系统框图便携式液晶按键是通过编写程序来控制控制硬件电路，使其显示特定的输出，其主要实现如下功能：液晶显示器显示矩阵键盘按键按下对应的内容。例如：4x4矩阵键盘的16各按键一一对应十六进制数0到F，当按下一个按键例如“8”，液晶显示器显示数字“8”，按下“A”则显示“A”

9、。该电路的系统框图如下：电源5V 5V液晶模块单片机 4x4矩阵键盘 操作指令 图4 便携式液晶按键电路系统框图从图中可以看出，便携式仪表的主要功能模块分为3类：l 操作输入：是指操作者或其它器件向单片机发送控制指令，该指令一般是通过键盘输入。l 结果显示：是指在单片机的控制下，液晶模块显示特定的输入指令。l 电源模块：为单片机和液晶显示器提供工作电源。单片机电路主要是通过编写程序来控制硬件电路。因此，可以通过改变程序，使特定的硬件电路实现不同的功能。如简易计算器。二、各部分电路的详细设计1、单片机控制电路由AT89C51单片机、晶振时序电路、复位电路构成。1.1、功能特性概述： AT89C5

10、1 是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，128字节内部RAM，32个I/O口线，2个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，高性能CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1.2、 AT89C51型单片机的主要性能参数如下：1、与MCS-51产品指令系统完全兼容2、4k字节可重擦写Fla

11、sh闪存存储器3、1000次擦写周期4、全静态操作：0Hz-24MHz5、三级加密程序存储器6、128*8字节内部RAM7、32个可编程I/O口线8、2个16位定时/计数器9、6个中断源10、可编程串行UART通道11、低功耗空闲和掉电模式1.3 、AT89C51芯片及管脚图图5 AT89C51芯片及管脚图1.4、 晶振时序电路 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求

12、的宽度。1.5、 复位电路常见的复位电路有两种：上电复位电路和开关复位电路，可根据电路的需要选择复位电路。 （a）上电复位电路 （ b） 开关复位电路图6 MCS-51复位电路上电复位只有在通电时才能复位，开关复位电路只要按下按键开关就能使单片机复位。本此设计采用开关复位电路。2、按键电路2.1、按键电路原理及电路图本次课程设计中用到的键盘为4*4矩阵键盘，如图3.5，它是用4条I/O作为行线，4条I/O作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。图7 4x4式行列键盘按键电路与单片机相连时，涉及到按键识别和去抖

13、动问题。按键识别主要是通过按键按下时的电平变化来确定的。键盘去抖动可以由硬件去抖或软件去抖实现，本次设计采用软件去抖来解决键盘抖动问题。2.2、 键盘识别键的识别功能，就是判断键盘中是否有键按下，若有键按下则确定其所在的行列位置。采用查询方法实现的键盘扫描程序的过程如下 ：（1）、查询是否有键按下 首先单片机向行扫描口P2.0P2.3输出全为0扫描码0xf0，然后从列检测口P2.4P2.7输入列检测信号，只要有一列信号不为1，即P2口不为0xf0，则表示有键按下。接着要查出按下键所在的行列位置。(2)、查询按下键所在的行列位置 单片机将得到的信号取反，P2.4P2.7中的为1的位便是键所在的列

14、。接下来要确定键所在的行，需进行逐行扫描。单片机首先使P2.0接地，P2.1P.7为1，即向门口发送扫描码0xfe，接着输入列检测信号，若为全1，表示不在第一行。接着使P1.1 接地，其余为1，再读入列信号。这样逐行发0扫描码，直到找到按下键所在的行，将该行扫描码取反保留。当各行都扫描以后仍没有找到，则放弃扫描，认为是键的误动作。(3)、对得到的行号和列号译码，得到键位扫描函数的返回值为行列键盘的键特征码，若无键按下，返回值为0。系统中使用的44行列式键盘上16个按键的功能定义与相应键码如下表所示表1 16个按键的功能定义与相应键码的定义键号功能键码键号功能键码000xee880xeb110x

15、de990xdb220xbe10A0xbb330x7e11B0x7b440xed12C0xe7550xdd13D0xd7660xbd14E0xb7770x7d15F0x772.3、 键盘的软件去抖当按下一个键时，往往会出现所按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳定到闭合状态的情况。在释放一个键时，也会出现类似的情况，这就是键抖动，抖动的持续时间不一，通常不会大于10ms。若抖动问题不解决，就会引起对闭合键的多次读入，从而引起系统对输入状态的判断失误，所以很有必要进行按键的消抖。实现方法： 在单片机控制系统中，按键处理几乎存在于每个实际设计中。目前，有两种方法可以对按键进行消抖，一种是通过使用R

16、S触发器构成的硬件电路消除按键的抖动。而另一种则是本系统中使用的软件消抖方法 。 在本设计中，采用的键盘消抖方法是常用的软件延时方法，在键盘输入的扫描过程中嵌入如下的程序段(1.1)，则能方便的实现键盘输出的消抖功能。P2=0xf0; /给P2口赋初值if(P2!=0xf0) /判断是否有键按下delay(10); /延时10msif(P2!=0xf0) /再次判断是否有键按下程序段1.13、液晶显示电路字符型液晶显示模块1602是一种用5x7点阵图形来显示字符的液晶显示器，其引脚功能如表2所示。表 2 LCD引脚接口说明表控制LCD所使用的芯片HD44780其读写周期约为1us，这与8051

17、MCU的读写周期相当，所以很容易与MCU相互配合使用。读取时序 如图 8 图 8 读取时序 图写入时序 如图 9 图 9 写入时序图根据1602液晶显示器的读写时序操作，编写相应的单片机驱动程序，便可以实现液晶显示器的显示输出。4、 元件清单设计所需的元件，如表3所示表3 元件清单元器件描述数量AT89C51单片机1液晶显示器1602LCD1按键开关17电阻1k、10k1极性电容22uF1晶振12MHz1瓷片电容30p2电位器10k15、程序框图主程序及各子程序的框图见图10、图11和图12。 图10主程序框图有键按下去抖动确定按键物理位置计算键码等待键释放键盘识别返回 图 11 键盘程序流程

18、图 图12 LCD程序流程图6、 便携式液晶按键电路电路图和程序清单便携式液晶按键电路具体电路图 见附录1 根据程序流程图，编写相应的子程序和主程序。程序清单见附录 23、 系统调试实物调试时要分块分步调试。用分块调试的方法去调试，问题出现的范围小，可以及时发现，便于解决。1、硬件测试检查线路：通过目测和使用万用表，检查线路连接的正确性，有无短路和短路，无虚汗的存在等。核对元件：检查元件是否安装正确，有无损坏等。整个电路只有5V的电源，芯片接正电源的引脚接+5V，接负电源的引脚接地（相当于接地）。检查电源系统：在加入集成电路之前，应检查加入电源的品质，包括电源的电压以及负载能力等。只有当电源满

19、足要求后，才能加上所有的元件进行加电源调试。虽然经过静态测试，但仍有不少的硬件故障要在软硬件联机调试中才能发现。2、静态测试测试晶振电路和复位电路：这是单片机应用系统工作的最基本的条件，可用示波器或逻辑笔进行检查。测试存储器：将数据写入存储单元并读回比较，写入与读出的数据如果是一致的则表示存储单元能正常工作，否则有短路，短路或器件损坏的情况。测试I/O口和I/O设备：编写简单的测试程序，单独支持某一I/O口和与之相连的I/O设备，如果能自如的支配或控制，则表明I/O通道的工作正常。这些I/O口包括开关量，模拟量，人机界面，打印，报警等。3、软件仿真仿真步骤：（1） 进入proteus ISIS

20、 集成环境，在工作前，在systerm菜单下设置界面的颜色、图形界面大小等项目，我采用了系统默认值。（2） 通过工具栏中的（从库中选择元件命令）命令，在pick devices窗口中选择电路所需的元件，放置元件到编辑区并调整其相对位置，进行元件参数设置，元器件间连线。器件库如表3-1所示，选择后如图3-1所示。器件库器件名称Microprocessor ICs89C51Switches&RelaysBUTTONOptoelectronicsLM016LResistorsRESPACK-8ResistorsPOT-LINTerminals ModePOWER表3-1器件库及所选器件图3-1器件库

21、（3） 连线并加上需要的说明，并完成仿真原理图，如图3-2所示。（4） 加载程序。将编译调试完成的简易计算器机器码程序（hex文件）加载到AT89C51单片机中。（5） 单击仿真工具栏中的仿真键，观察仿真结果。可以按暂停、继续、单步、等按钮，查看效果，如图3-4、3-5。图3-2仿真原理图运行 单步运行 暂停 停止图3-3 运行按钮仿真结果：图3-4 仿真显示1 图35仿真显示24、 程设计总结1. 心得体会此次课程设计功能是实现按键的液晶显示，我们此次采用的模块化设计，分为AT89C51单片机最小系统模块， 1602LCD液晶显示器、矩阵键盘模块，在二连孔的万能板设计然后用杜邦线直接连接，外

22、围也有设计好的电源线及地线，方便接线。模块化设计可以使电路设计更为清晰，也便于调试，而且修改方便，能直接应用于其他电路。缺点是：焊接复杂，搭线麻烦，电线没有保护措施容易导致损坏漏电，不美观。对于软件部分而言，我们主要是设计实现简单的计算器功能。要实现编程需要，我们先在单片机仿真软件proteus上调试。在调试时，我们发现89C51的最小系统可以简单连接，并不需要连接晶振，只需接上电源及地即可。若要采用P0作为通用接口时，必须连上上拉电阻，这也是与实际电路实际的不同。对于1602而言它只需将1、2脚接上电位器的两端即可，不需接上相应的电源地。所以在仿真时可能正常，在现实中调试时就需要注意相应的电

23、路。总体而言电路比较简单，主要任务是对程序的编写。因此只要掌握程序设计的能力此次课设将很好完成。2、错误改正 此次课程设计使用的是二连孔德万能板，要仔细观察竖排和横排是否所有孔都是联通的，否则很可能将芯片放错位置导致短路烧坏。芯片引脚比较多，焊接时要细腻仔细，不要将断开的聊个管脚焊接到一起，用万用表仔细检查。滑动变阻器在高温的条件下很容易烧坏，焊接时要迅速，小心仔细。焊接后用万用表检查滑动变阻器阻值是否正常。六、参考文献1李朝青.单片机原理及接口技术（简明修订版）.杭州：北京航空航天大学出版社，19982李广弟.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，19943阎石.数字电子技术基础（第三版

24、）. 北京：高等教育出版社，19894廖常初.现场总线概述J.电工技术，1999.5 徐仁贵等编著.单片微型计算机应用技术.北京:机械工业出版社.2001年2月第1版 6 张毅刚等编著.单片机原理及应用. 北京：高等教育出版社.2004年1月第1版附录 1 便携式液晶按键电路具体电路图附录 2程序清单#include /头文件#define uint unsigned int #define uchar unsigned charsbit lcden=P12; /定义引脚sbit rs=P10;sbit rw=P11;sbit busy=P37;char i,j,temp,num,num_1;long a,b,c; /a b c,得数float a_c,b_c;uchar flag,fuhao; uchar code table=7,8,9,0,4,5,6,0,1,2,3,0,0,0,0,0;uchar code table1=7,8,9,0x2f-0x30,4,5,6,0x2a-0x30,1,2,3,0